高压线性电流传感器IR2175及其应用

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１ 概述
在永磁电机或感应电机的高性能交流伺服系统控制中，为实现磁场定向控制，需要检测至少两相电机绕组的电流。通常采用以下三种方法来测量电流值：
（１）采用霍尔电流传感器
（２）采样电阻和线性光耦配合使用
（３）利用采样电阻测量直流母线上的电流，然后通过扩展的软硬件设计计算得出电流。
ＩＲ２１７５是国际整流公司（ＩＲ）专为交流或直流无刷电机的驱动应用而设计的高压线性电流传感器，它内置电流检测和保护电路，可通过串联在绕组回路的采样电阻来获得绕组电流，不需要Ａ／Ｄ转换芯片就能自动将输入模拟信号转换成数字ＰＷＭ信号输出，可以直接与处理器相连。同传统的霍尔电流传感器相比，ＩＲ２１７５具有温漂低、数字ＰＷＭ输出、可简化接口电路、无需线性光耦及Ａ／Ｄ转换器、８脚ＰＤＩＰ或ＳＯＩＣ封装等优点。ＩＲ２１７５的主要特性如下：
●带有电压高达６００Ｖ的浮置输入通道；
●通过采样电阻获得线性电流反馈；
●带有直接数字ＰＷＭ输出接口；
●低ＩＱＢＳ允许支持自举电源供电；
●有独立的快速过流输出信号；
●有很强的共模信号干扰抑制能力；
●ＩＧＢＴ短路条件下具有过电压保护；
●采用开漏输出方式。
２ 引脚功能和电气特性

２．１ 引脚功能
ＩＲ２１７５具有８脚ＰＤＩＰ和８脚ＳＯＩＣ两种封装型式，其引脚排列如图１所示。各引脚的功能如下：
１脚（ＶＣＣ）：低端电源端；
２脚（ＰＯ）：数字ＰＷＭ输出端；
３脚（ＣＯＭ）：低端地；
４脚（ＯＣ）：过流信号输出端，低电平有效；
５脚（ＮＣ）：空脚；
６脚（ＶＢ）：高端浮置电源电压端；
７脚（ＶＳ）：高端浮置电源偏压端；
８脚（ＶＩＮ＋）：采样电压正向输入端。
２．２ 推荐电气参数
ＩＲ２１７５的推荐工作参数如表１所列。应当说明的是为使模块能够正常工作,设计时一般应按ＩＲ公司给出的推荐工作条件来进行。
表1 推荐工作参数

参 数 名 称	符号	参数值		单位 V
		最小	最大
高端浮置电源电压	VB	Vs+13.0	Vs+20
高端浮置电源偏压	Vs	0.3	600
数字PWM输出电压	VPO	COM	Vcc
过流信号输出电压	VOC	COM	Vcc
供电电源电压	Vcc	9.5	20
VIN+和Vs之间的电压	VIN+	-260	+260	mV
环境温度	TA	-40	125	℃

３ 基本功能和特点
线性电流传感器ＩＲ２１７５是为了将电流信号从电机的高端驱动电路转换到低端驱动电路而设计的，这样，得到的电流信号就能够方便的用控制电路来进行处理。它的模拟输入信号是串联在相绕组回路中的取样电阻上的压降。随着电机相电流的变化，取样电阻上会产生一个很小的交流电压信号以作为ＩＲ２１７５ 的输入。它的输出是频率为１３０ｋＨｚ、以地为参考、占空比随电流大小变化的ＰＷＭ数字信号，经过电平转换后ＰＷＭ信号将被转换成以地为参考点的信号。ＩＲ２１７５ 输出信号的占空比范围从９％到９１％，当输入采样电阻上的压降为０，也就是相电流为０时，输出信号的占空比为５０％；输出电压的变化范围从－２６０ｍＶ至＋２６０ｍＶ当采样电阻两端的电压值超过这个范围时，输出信号的占空比将达最大值９１％，此时明显已不能反映相电流的变化了，因此过载电流流过取样电阻时所产生的电压应小于或等于２６０ｍＶ。例如：对于１０Ａ的过载电流，取样电阻应为２６ＭΩ。而且，当输入信号的幅值超过２６０ｍＶ时，在ＩＲ２１７５的ＯＣ端将输出一个典型值为２μｓ、低电平有效的过流信号。ＰＯ是开漏的ＰＷＭ输出脚，由于它输出的是数字信号，因此很容易和工作电压为３．３～１５Ｖ的控制电路进行接口。使用时只需要在PO端接一个上拉电阻即可（上拉电阻的大小可根据与PO所连接电路的输入电流来进行选择，其典型值为1～10kΩ）。
综上所述，ＩＲ２１７５具有以下显著功能特点：
（１）ＩＲ２１７５可提供电流反馈信息，还可提供更高带宽和更大加速度的高速频率输出（ｆｏ＝１３０ｋＨｚ） ，能满足要求严格的伺服电机应用，如高速打印、包装机械、机器人和定位平台等自动化应用。
（２）ＩＲ２１７５具有２．０μｓ过电流关断信号输出，可以直接与微处理器或数字信号处理器进行连接。现有线性电流传感的光学或霍尔效应系统的关断时间一般长达３～４μｓ，通常需要两个外置比较器和一个电平转换运算放大器才能达到与此相同的功能。
（３）ＩＲ２１７５无需设置光耦合器，确保了系统性能的持久稳定，有助于提高系统可靠性。因为随着光耦合器老化，发光管 （ＬＥＤ） 和接收器件之间的电流传输比（ＣＴＲ）将逐渐减弱，有可能造成系统故障。
（４）ＩＲ２１７５采用ＰＷＭ数字信号输出，并用自举电源取代了专用辅助电源，从而有效减小了器件尺寸，减少了零件数目。
（５） 电机驱动器电路采用ＩＲ２１７５可省去外置光学或霍尔效应传感器，从而进一步缩小电路尺寸、简化设计并提高可靠性。

４ 典型应用电路
图２为ＩＲ２１７５应用于三相交流伺服系统时的电路连接图，图中，三相永磁无刷电动机Ｖ相和Ｗ相绕组回路中分别串联一个０．０１Ω的采样电阻Ｒ１和Ｒ２，它们两端的电压可分别作为两个ＩＲ２１７５电流传感器的输入，ＶＣＣ和ＶＳ间连接一个自举二极管，ＶＢ和ＶＳ之间接一个自举电容。本系统中，笔者分别采用快恢复二极管ＩＲＦ１０７和１０μＦ的钽电容作为自举二极管和自举电容。
ＶＢＳ是一个在ＶＳ电压的峰值上面浮动的电源在大多数情况下，ＶＳ是一个高频方波　。有许多方法可以产生ＶＢＳ悬浮电源，其中之一就是采用自举电路。该方法的优点是简单、便宜。图２中的自举电源是由二极管Ｄ１、Ｄ２和电容器Ｃ１、Ｃ２组成的，它的工作原理是：当ＶＳ通过低端ＩＧＢＴ下拉到地时，自举电容Ｃ１或Ｃ２　便通过自举二极管Ｄ１或Ｄ２　用１５Ｖ的ＶＣＣ电源进行充电，从而提供了电源ＶＢＳ。当ＶＳ通过高端开关被拉到最高电压时，ＶＢＳ是浮动的，此时自举二极管被反向偏置，从而阻断了充电回路。
通过自举电路可在ＶＢ和ＶＳ之间产生高端悬浮电源，ＶＢＳ电源为最小值（８Ｖ）时，电路可正常工作，推荐的ＶＢＳ和ＶＣＣ电压应保持在１０Ｖ以上。
ＩＲ２１７５的输出信号有两种处理方法：
第一种是用滤波器滤掉载波信号从而重构模拟电流信号。重构模拟电流信号的最简单、最廉价方法是用低通滤波器滤掉ＰＷＭ信号的载波。有很多种低通滤波器可以使用包括无源和有源滤波器。考虑到简单和低成本，可以选择无源ＲＣ滤波器和一阶有源滤波器。典型情况下，有源滤波器有一个精确的截止频率，因此，它与无源滤波器相比滤波效果更好一些。图３是一个一阶ＶＣＶＳ电压控制电压源　滤波器的电路原理图，这是一个基本增益为１９的巴特沃斯滤波器。对于这种类型的滤波器来说，通常应选择较高的增益，它的截止频率是９ｋＨｚ，非常接近实际的输出频率。
第二种是将ＩＲ２１７５直接和低端数字控制电路如单片机或ＤＳＰ　进行接口，该方法在硬件方面非常简单，但需要用软件来计算电流，这种方法可以很好的限制误差的产生。

５ 使用注意问题
５．１ ＶＳ脚瞬时负偏压的处理
ＩＲ２１７５高压线性传感器要求有单独的瞬时负偏压保护电路，这是由于它和门极驱动器不同步。由于ＩＲ２１７５不同于门极驱动器，它在转换期间要继续工作，此时高端的开关正在关断，因此，保证电流传感器ＩＣ在ＶＳ脚没有瞬时负偏压是很重要的。在典型的连接电路中，一般在ＣＯＭ脚和ＶＳ脚间接一个二极管，在ＶＳ与半桥输出间接一个电阻即图２中的Ｒ３和Ｒ４。这两个元件可以对ＶＳ脚进行钳位，因此ＶＳ脚可以较ＣＯＭ脚低一个二极管的压降。二极管应选择恢复时间小于１００ｎｓ的快恢复二极管。ＶＳ管脚和半桥输出之间的电阻（Ｒ３和Ｒ４）应在１０～２０Ω的范围内尽管此时ＶＳ脚和半桥输出之间的电阻是电流传感的通道，但它在非转换期间没有电流感应信号。由于转换期间产生的电流感应信号的持续时间很短，因此可以在ＩＲ２１７５输入端被运算放大器所忽略。
５．２ ｄｖ／ｄｔ及其对占空比的影响
在高端悬浮但没有开关切换的情况下即ＶＳ脚的电压是固定的　，占空比不会有波动。但在半桥电路的应用中，由于Ｖｓ管脚连接到半桥的输出端，且用两个ＩＲ２１７５来测量电机的相电流，而ＶＳ管脚和ＩＲ２１７５高端电路将在地或接近地与正直流母线之间摆动，因此每次转换时都存在一个ｄｖ／ｄｔ。这样，在ＶＳ脚转换期间，ｄｖ／ｄｔ将使ＰＯ脚上输出信号的占空比产生微小的波动，进而引起ＩＲ２１７５输出信号占空比的波动，这在电机驱动电路中将被转换成电机的转矩波动，对此设计时应该引起重视。
５．３ 布线建议
所有电力电子电路的布局布线都应以减小寄生电感、电容为基础。在ＩＲ２１７５的应用中，ＶＣＣ和ＶＢＳ上的去耦电容应尽可能的靠近ＩＣ，采样电阻和ＶＳ之间的连线也应靠近ＩＣ，以减小这两个管脚之间的压差。取样电阻和ＶＩＮ＋之间的连线也要尽可能的短，以减小耦合到电流取样信号中的噪声，保持较宽的电流引线可以减小杂散电感。由Ｒ２和Ｄ２组成的瞬时负偏压保护电路也要尽可能的靠近ＩＣ，以便产生最好的效果。